擾動(dòng)道床施工設(shè)備安全狀態(tài)評估

王曉晨

（國家能源集團(tuán)朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司原平分公司，山西忻州 034100）

0 引言

既有線碎石道床進(jìn)行機(jī)械清篩作業(yè)，一般要經(jīng)過申請要點(diǎn)、封閉線路、清篩、起搗作業(yè)、限速通車、恢復(fù)穩(wěn)定等一系列過程。在《鐵路工務(wù)安全規(guī)則》（鐵運(yùn)〔2006〕177 號）基礎(chǔ)上修訂的TG/GW 101—2014《普速鐵路工務(wù)安全規(guī)則》規(guī)定：“對于影響道床路基穩(wěn)定的施工作業(yè)，“三搗兩穩(wěn)”作業(yè)后，開通后第一列35 km/h，第二列45 km/h，自第三列起限速60 km/h，至次日搗固后第一列限速60 km/h，第二列起限速80 km/h，至第三日搗固后第一列限速80 km/h，第二列限速120 km/h，至第四日搗固后恢復(fù)常速。“三搗兩穩(wěn)”作業(yè)后，開通后第一列45 km/h，第二列60 km/h，自第三列起限速80 km/h，至次日搗固后第一列限速80 km/h，第二列起限速120 km/h，至第三日搗固后恢復(fù)常速。未達(dá)到上述搗固、穩(wěn)定遍數(shù)的，應(yīng)相應(yīng)降低列車放行速度。開通后第一列35 km/h，第二列45 km/h，不少于4 h，以后限速60 km/h，至次日搗固后第一列限速60 km/h，第二列起限速80 km/h，至第三日搗固后第一列限速80 km/h，第二列限速120 km/h，至第四日搗固后恢復(fù)常速?！边@些要求對線路正常運(yùn)輸?shù)挠绊戄^突出。

提高貨物列車軸重和牽引質(zhì)量，雖然提高了線路的運(yùn)能，但線路設(shè)備的傷損以及軌道幾何狀態(tài)惡化速率會(huì)明顯加快。朔黃鐵路萬噸大列開行以來，線路設(shè)備病害明顯加劇，設(shè)備使用壽命、維修周期縮短，尤其道床的中修和大修周期縮短，線路清篩整道工作量增大，反過來又干擾線路的正常運(yùn)輸，影響線路的運(yùn)輸能力。

1 擾動(dòng)道床作業(yè)后碎石道床力學(xué)狀態(tài)參數(shù)評估

鋼軌在自由狀態(tài)下因溫度變化而熱脹冷縮，并不存在溫度力，鋼軌的溫度力是在線路被鎖定不能自由伸縮的情況下產(chǎn)生的，因此鋼軌的溫度力與扣件的阻力、道床的阻力、軌道框架的阻力相互存在，要保持無縫線路的穩(wěn)定性，就要求碎石道床必須穩(wěn)定，并提供足夠的阻力。有砟軌道道床由散粒體碎石顆粒組成，在方便養(yǎng)護(hù)維修的同時(shí)，也會(huì)由于道砟的這種性質(zhì)引起軌道的沉降，因此道床清篩后，列車通過時(shí)會(huì)引起軌道不規(guī)則初始沉降，并引發(fā)進(jìn)一步的軌道病害。軌道動(dòng)力穩(wěn)定車可使軌道均勻沉降、道床快速穩(wěn)定，效果相當(dāng)于通過70～80 萬噸荷載，其原理是在施加垂直荷載的同時(shí)，軌道動(dòng)力穩(wěn)定裝置能使軌道結(jié)構(gòu)水平振動(dòng)，道砟顆粒進(jìn)行動(dòng)態(tài)的重分布，使道砟孔隙減小，道砟石塊相互接觸更加緊密，軌道框架埋入碎石道床，并與之產(chǎn)生摩擦咬合，從而達(dá)到一個(gè)相對穩(wěn)定的狀態(tài)。如果道床清篩后只進(jìn)行了搗固作業(yè)，則需要在線路通過一定的運(yùn)量后，通過列車荷載作用使道床逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，恢復(fù)正常速度。道床支承剛度是反映道床密實(shí)程度的重要參數(shù)，道床累積變形在道床清篩后也是初期變化較大，隨著運(yùn)營逐漸收斂的過程，也可反映道床的狀態(tài)。

2 不同作業(yè)方式對道床狀態(tài)的影響規(guī)律研究

朔黃鐵路大機(jī)清篩后道床作業(yè)主要采取兩種方式，在一般路基區(qū)段采取“三搗兩穩(wěn)”的作業(yè)方式，在橋梁區(qū)段采取“三搗”作業(yè)方式。采取“三搗兩穩(wěn)”作業(yè)方式：線路開通前，道床橫向阻力為6.8 kN/枕，即11.3 kN/m，道床縱向阻力為10.2 kN/枕，即17.0 kN/m，道床支承剛度為38.5 kN/枕，第一列列車通過后，橫向阻力為7.4 kN/枕，即12.3 kN/m，第二列列車通過后，橫向阻力為7.6 kN/枕，即12.7kN/m；采取“三搗”作業(yè)方式：線路開通前，道床橫向阻力為5.7 kN/枕，即9.5 kN/m，道床縱向阻力為9.6 kN/枕，即16.0 kN/m，道床支承剛度為30.1 kN/枕，第一列列車通過后，橫向阻力為6.3 kN/枕，即10.5 kN/m，第二列列車通過后，橫向阻力為7.2 kN/枕，即12.0 kN/m，線路運(yùn)營2 h后，橫向阻力為7.4 kN/枕，即12.3 kN/m，線路運(yùn)營24 h 后，橫向阻力為7.5 kN/枕，即12.5 kN/m；隨著線路開通后列車荷載的作用，道床逐漸密實(shí)，開通后前三趟列車對道床的密實(shí)作用最明顯，前三趟列車后道床橫向阻力增長速率降低，逐漸趨于穩(wěn)定，而且不同作業(yè)方式對清篩作業(yè)后道床橫向阻力影響較大，采取“三搗兩穩(wěn)”作業(yè)方式線路密實(shí)的更快，與采取“三搗”作業(yè)方式相比，前一種作業(yè)方式開通前道床阻力與后一種作業(yè)方式第一列列車通過后基本相當(dāng)，第一列列車通過后與線路運(yùn)營2 h后的阻力基本相當(dāng)，第二列列車通過后與線路運(yùn)營24 h 后的阻力基本相當(dāng)。

3 擾動(dòng)道床作業(yè)后無縫線路穩(wěn)定性評估

由于有砟軌道道床處于彈性變形范圍，根據(jù)實(shí)測資料，在荷載作用下軌枕發(fā)生微量位移，卸載后道床也會(huì)產(chǎn)生殘余變形。允許溫差取值應(yīng)把防止無縫線路產(chǎn)生彈動(dòng)現(xiàn)象作為先決條件，并限制軌道產(chǎn)生累積變形。據(jù)測得的日溫差頻數(shù)及軌溫晝夜變化無縫線路的橫向累積變形，取f=0.02～0.05 cm 所對應(yīng)的軌溫差作為無縫線路穩(wěn)定性允許差［Δtu］，f 取值與軌道結(jié)構(gòu)類型及道床密實(shí)度有關(guān)，通常取f=0.02 cm。只要初始彎曲不超過設(shè)計(jì)允許值，鎖定軌溫至最高軌溫的溫度差也不超過允許值。在高溫季節(jié)一晝夜時(shí)間內(nèi)，無縫線路的最大彎曲變形量不超過0.02 cm，經(jīng)過一個(gè)季度運(yùn)營后，累積變形量就不會(huì)超過0.2 cm，并保證在溫度力和列車荷載作用下，不產(chǎn)生彈動(dòng)現(xiàn)象而失穩(wěn)。

基于無縫線路穩(wěn)定性檢算方法分析可知，擾動(dòng)道床施工對道床阻力影響較大，道床橫向阻力是決定無縫線路允許溫升的重要因素，該指標(biāo)對允許溫降影響不大，因此本節(jié)主要針對施工過程中道床橫向阻力對無縫線路允許溫升影響進(jìn)行分析。

TB 10413—2003《鐵路軌道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：對于混凝土Ⅲ型軌枕，道床達(dá)到初期穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)道床橫向阻力不得低于7.5 kN/枕，道床達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)道床橫向阻力不得低于10 kN/枕。項(xiàng)目研究期間，朔黃鐵路路基段和橋梁段對清篩后道床橫向阻力測試結(jié)果符合規(guī)定，其中路基段清篩后大機(jī)作業(yè)方式為“三搗兩穩(wěn)”，橋梁段道床清篩后大機(jī)作業(yè)方式為“三搗”。隨著列車運(yùn)量的增加，道床逐步密實(shí)，道床橫向阻力逐步增大。

4 結(jié)論

（1）對于路基段采取“三搗兩穩(wěn)”作業(yè)方式，線路開通前，道床縱向阻力已可滿足開通速度80 km/h 的要求，道床橫向阻力已接近開通速度80 km/h 的要求，第一列列車通過后，橫向阻力可滿足開通速度80 km/h 要求，第二列列車通過后道床橫向阻力可滿足達(dá)到初期穩(wěn)定狀態(tài)的要求；對于橋梁段采取“三搗”作業(yè)方式，線路開通前，道床縱向阻力同樣可滿足開通速度80 km/h的要求，道床橫向阻力在第二列列車通過后可滿足開通速度80 km/h 的要求，在線路開通運(yùn)營24 h 后，道床橫向阻力可達(dá)到初期穩(wěn)定狀態(tài)的要求。

（2）無論是否進(jìn)行穩(wěn)定作業(yè)，在線路開通后4 h 以內(nèi)道床變形較快，列車運(yùn)行8 h 后道床累積變形逐漸穩(wěn)定，路基區(qū)段總變形約5 mm，橋梁區(qū)段約7 mm；但橋梁區(qū)段不進(jìn)行動(dòng)力穩(wěn)定作業(yè)，總體變形大且不均勻沉降約3 mm，路基區(qū)段采取動(dòng)力穩(wěn)定作業(yè)，其沉降變形以均勻沉降為主，不均勻沉降變形約1 mm，采取穩(wěn)定作業(yè)方式的線路道床密實(shí)的更快。

（3）采用不等變形波長理論并基于道床阻力現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，對R400 m、R600 m、R800 m、R1000 m 和R2000 m 以上及直線的不同曲線半徑條件下道床清篩作業(yè)前后的無縫線路允許溫升進(jìn)行計(jì)算，由計(jì)算結(jié)果可知，道床清篩維修作業(yè)后，因道床橫向阻力下降，導(dǎo)致無縫線路允許溫升最大下降將近10 ℃。

（4）由監(jiān)測結(jié)果可知，每年7—8 月間軌溫達(dá)到年度最高，每日12：00—16：00 軌溫逐步達(dá)到當(dāng)日最高（60 ℃左右），其中監(jiān)測期間重車線軌溫最高67.6 ℃，朔黃鐵路線路設(shè)計(jì)鎖定軌溫分布范圍在20～31 ℃，即在夏季高溫時(shí)段無縫線路溫升幅度達(dá)30～40 ℃。

（5）根據(jù)無縫線路允許溫升計(jì)算結(jié)果分析，R800 m 及以上區(qū)段，搗固清篩作業(yè)后無縫線路允許溫升高于40 ℃，即高于實(shí)際溫升，無縫線路穩(wěn)定性具備一定安全儲(chǔ)備，R800 m 以下區(qū)段，搗固清篩作業(yè)后無縫線路允許溫升已低于40 ℃，尤其是R400 m 曲線，作業(yè)后允許溫升不足30 ℃，因此應(yīng)避免在高溫時(shí)段進(jìn)行擾動(dòng)道床作業(yè)。

（6）道床剛度對于車輛的輪軌垂橫向力、輪重減載率、脫軌系數(shù)的影響并不顯著，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可知，道床剛度變化本身對行車動(dòng)力特性的影響并不顯著，但由于低剛度道床原本不密實(shí)的道砟接觸狀態(tài)，在列車碾壓作用下會(huì)引起軌面不平順的發(fā)展，從而引起列車的運(yùn)行品質(zhì)下降。

（7）列車運(yùn)行速度對脫軌系數(shù)影響不顯著，但對輪重減載率的影響卻較大，當(dāng)列車運(yùn)行速度由35 km/h 提升至45 km/h、60 km/h、80 km/h、120 km/h 時(shí)，列車的輪重減載率分別提高5.26%、15.79%、31.58%、78.95%。說明列車運(yùn)行速度提高會(huì)顯著引起車輛輪重減載率的激增，但其量值均在安全限值以內(nèi)。

（8）列車運(yùn)行速度由35 km/h 提升至45 km/h、60 km/h、80 km/h、120 km/h 時(shí)，車體的垂向加速度分別提高3.95%、15.79%、19.08%、25.00%；車體的橫向加速度分別提高3.39%、1.86%、3.39%、32.20%。說明車體的垂、橫向加速度均會(huì)隨著列車運(yùn)行速度的增加而增大，但均在安全限值內(nèi)。

（9）根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測、理論計(jì)算和仿真分析結(jié)果，對橋、隧區(qū)段采用大型機(jī)械“三搗”作業(yè)程序時(shí)的開通速度方案進(jìn)行優(yōu)化，開通后第一列仍限35 km/h，第二列由“限速45 km/h 且不少于4 h”優(yōu)化為“限速55 km/h 且不少于2 h”；“以后限速60 km/h，至次日搗固后第一列限速60 km/h，第二列起限速80 km/h”優(yōu)化為“以后限65 km/h 不少于24 h，以后恢復(fù)常速”。

（10）路基段采取“三搗兩穩(wěn)”作業(yè)方式線路開通后，脫軌系數(shù)實(shí)測最大值為0.23（限值1.2），輪重減載率實(shí)測最大值為0.17（限值0.65），輪軸橫向力實(shí)測最大值46.5 kN（軸重25 t，限值119 kN，軸重23 t，限值110.5 kN），各參數(shù)均小于相應(yīng)限值，且有較大的安全冗余；鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力最大值為40.9 MPa，小于鋼軌的容許應(yīng)力，清篩作業(yè)后在列車荷載作用下鋼軌斷軌的風(fēng)險(xiǎn)較小。鋼軌橫向位移最大值為0.87 mm，軌距變化量最大值1.40 mm，量值均較小，軌道橫向穩(wěn)定性較好；鋼軌垂向力最大值為155.1 kN，鋼軌垂向位移最大值為0.67 mm，垂向穩(wěn)定性較好。

（11）橋梁段采取“三搗”作業(yè)方式線路開通后，脫軌系數(shù)實(shí)測最大值為0.67（限值1.2），輪重減載率實(shí)測最大值為0.26（限值0.65），輪軸橫向力實(shí)測最大值68.7 kN（軸重25 t，限值119 kN，軸重23 t，限值110.5 kN），各參數(shù)均小于相應(yīng)限值；鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力最大值為76.9 MPa，小于鋼軌的容許應(yīng)力。鋼軌橫向位移最大值為3.10 mm，軌距變化量最大值5.38 mm，由于測點(diǎn)位于R500 m 曲線區(qū)段，動(dòng)態(tài)軌距變化量較大，仍能滿足軌道保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求；鋼軌垂向力最大值為175.6 kN，鋼軌垂向位移最大值為0.86 mm，軌道垂向穩(wěn)定性較好。